JP2011193029A - 内部赤外誘導損傷への耐性を有するレーザ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】高強度の内部赤外放射による長期劣化への耐性をレーザに付与するための、ダイオード励起赤外レーザの利得媒質の共ドーピングに関する。Cr3+およびCe3+などのイオンを用いる利得媒質の共ドーピングは、外部イオン化放射への耐性を利得媒質に付与し、利得媒質の長期劣化の問題を解決する。
【選択図】図1
Description
早期の学術論文である非特許文献6では、高強度のUVおよび可視光、特に500nmより短波長での照射によって引起こされる、Nd:YAGレーザの効率の減少が報告されている。この問題は吸収性の色中心発生によるとされていた。
以下の詳細な説明には、図示の目的で多くの詳細な項目が含まれているが、しかしながら、本発明の範囲内で以下の項目に対する多くの変更および代替があることを、当業者は認識するであろう。したがって、以下で説明される本発明の例示的な実施態様は、請求される本発明に対して何ら一般性を喪失することなく、および制限を課することなく示される。
冠詞「a」または「an」は、他に明示的に延べられる箇所を除いて、その冠詞に続く項目の1以上の量を指す。
「連続波(CW)レーザ」とは、パルスレーザにおけるような短いバーストではなく、連続的に放射を放出するレーザをいう。
「ダイオードレーザ」は、誘導放出を用いてコヒーレント光出力を発生するように設計された発光ダイオードを指す。ダイオードレーザは、レーザダイオードまたは半導体レーザとしても周知である。
「利得媒質」は、「レーザ」に関する以下の説明にある、レーザ発振可能な材料を指す。
as )、例えば(for example )、など(etc.)、など(and the like)、してもよい(may )、可能である(can )、し得る(could )」および、特定の範疇のある項目または一連の項目に関して用いられる他の修飾語句は、その項目または一連の項目がその範疇に含まれるが、それらの項目に限定されないことを意味する。
「内部放射」は、そこで発生すべき過程の原因としてレーザキャビティ内に導入される放射、または、そのような過程の意図されるまたは意図されない結果としてレーザキャビティ内で発生される放射、を指す。利得媒質が励起されない限り、内部放射は発生されない。内部放射の例には、レーザ発振過程自身によって発生される誘導放射、および誘導放射を伴う幾つかの周波数変換過程によって発生される放射が含まれる。
「レーザ」は、放射の誘導放出による光増幅(light amplification by stimulated emission of radiation )の頭字語である。レーザは、レーザ発振可能な材料で満たされているキャビティである。これは任意の材料、結晶、ガラス、液体、色素、またはガス、であって、その原子は、例えば光または電気放電によってなど、励起によって準安定状態に励起されることが可能である。原子が基底状態に戻り誘導放出で光を放出することによって、光が放出される。光(ここでは誘導放射を指す)は、キャビティを通じて複数のラウンドトリップをなすに従って、強度が継続的に増加される。利得媒質として光ファイバを用いて、レーザが構成されてもよい。ファイバは、典型的にはガラス型材料であるが、結晶またはガラスナノ結晶複合材料であってもよい。
「Qスイッチレーザ」は、レーザ発振媒質中で高レベルの反転(光利得およびエネルギー蓄積)が達成されるまでレーザ発振作用を防止するために、レーザキャビティ中でQスイッチを用いるレーザを指す。例えば、音響光学または電気光学変調器、または可飽和吸収体などを用いて、スイッチがキャビティのQを急速に増加させる時、ジャイアントパルスが発生される。
(1)比較的低損失であるレーザキャビティは、例えば数百ワットの高い平均循環パワー(high average circulating powers )を有し得る。ある低損失キャビティの例では、例えば低非線形性LBO結晶を用いる、第2および第3高調波波長への非線形光学変換以外には、意図的な出力結合はない。
(2)レーザがQスイッチレーザである場合には、イントラキャビティピークパワーはさらに増大する。例えば、50マイクロ秒(20kHz)ずつ離れた50ナノ秒のパルスは、ピークパワーと平均パワーとの間に1000:1の強化を生じることによって、数百kWのイントラキャビティピークパワーを発生する。
(3)レーザモードはNd:YAGロッド内に密に(<<1平方ミリメートル)集束されて、およそ0.01〜1ギガワット/平方センチメートルのピークIR(赤外)強度を生じる。
(4)これらの高いIR強度によって、YAG価電子帯からYAG伝導帯への、緩やかではあるがゼロでない速さでの多光子(おそらく6または7光子)吸収が可能にされていると、発明者らは推論した。
(5)さらに発明者らは、吸収される光(およびそれによる遊離電子/ホール)が、より容易に吸収されるUV光と(YAGに関する限りは)同等であることを推論した。したがって、吸収されるUV光が引起こし得る任意の種類の結晶損傷(「ソラリゼーション」)はまた、多光子吸収されるIR光によっても引起こされ得るであろう。
(6)したがって、IR光の多光子吸収の確率が低いために非常に遅いものの、YAGは高強度IR光によって「ソラリゼーション」されると、発明者らは結論を下した。これによって、1064nmに小さな量の(線形の)吸収を示す色中心が発生する。
(7)この1064nm吸収は大きさでは小さいものの、数千時間の間、無調整で動作しなくてはならない低損失キャビティ内部の長いNd:YAGロッド(またはスラブ)にとっては、より重要である。
(8)YAGにおける類似または同様の色中心はまた、ガンマ線照射によっても引起こされる。類似点は、(a)両方とも放射誘起であること、および(b)両方とも、近紫外にピークを有し、IRへ延びる長い裾を持つ吸収スペクトルを有することである。
(9)文献には、Cr3+またはCe3+の共ドーピングによって、ガンマ線照射されたYAGにおける色中心発生が効果的に減少することが示されている。
(10)Cr3+の共ドーピングがNd:YAG結晶のバックグラウンド損失に有意には影響しないことは周知である。
図2のレーザでは、周波数3逓倍はレーザ内部で発生する。これに代えて、図1に示される型のレーザを用いて、周波数3逓倍がレーザキャビティの外部で発生する、周波数3逓倍レーザが作成されてもよい。そのようなレーザの例は、図3A、図3Bに示される。
Claims (30)
- 内部赤外放射によって誘起される損傷への耐性を有するレーザ利得媒質を作成する方法であって、
前記利得媒質に共ドーパントイオン化放射への耐性を付与するイオンを用いて、前記利得媒質を共ドープする工程を備え、
約0.01GW/cm2より高いピーク強度の内部赤外放射による長期劣化への耐性を、前記利得媒質に付与するために充分なレベルで、前記イオンが前記利得媒質中に存在する、方法。 - 請求項1に記載の方法において、前記利得媒質中の前記共ドーパントイオンの濃度は、赤外放射による前記利得媒質の劣化の割合を、共ドーパントイオンを有さない前記利得媒質と同一または実質的に類似の利得媒質と比較して、2倍以上減少させるのに充分である、方法。
- 前記利得媒質は固体材料、ファイバ、および結晶性材料からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記利得媒質はフッ化物結晶または酸化物結晶、およびガーネットからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記利得媒質はイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、ガドリニウムガリウムガーネット(GGG)、ガドリニウムスカンジウムガリウムガーネット(GSGG)、およびイットリウムスカンジウムガリウムガーネット(YSGG)からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記利得媒質はYAG、Tm:Ho:YAG、Yb:YAG、Nd:YAG、Er:YAG、Nd:YVO4、およびNd:YALOからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記共ドーパントイオンは、Cr3+イオンまたはCe3+イオンである、請求項1に記載の方法。
- 前記共ドーパントイオンは約0.01%〜約5%のドーピングレベルで前記利得媒質中に存在する、請求項7に記載の方法。
- 前記共ドーパントイオンは約0.5%〜約1%のドーピングレベルで前記利得媒質中に存在する、請求項7に記載の方法。
- 使用方法であって、
利得媒質に外部イオン化放射への耐性を付与する共ドーパントイオンを用いて共ドープされた前記利得媒質からなる赤外線レーザの使用方法において、前記利得媒質内の内部赤外放射のピーク強度は約0.01GW/cm2より高い、使用方法。 - 前記利得媒質中の前記共ドーパントイオンの濃度は、赤外放射による前記利得媒質の劣化の割合を、共ドーパントイオンを有さない前記利得媒質と同一または実質的に類似の利得媒質と比較して、2倍以上減少させるのに充分である、請求項10に記載の使用方法。
- 前記利得媒質は固体材料を備える、請求項10に記載の使用方法。
- 前記利得媒質はファイバを備え、そのために前記赤外線レーザはファイバレーザである、請求項10に記載の使用方法。
- 前記固体材料は結晶性材料である、請求項12に記載の使用方法。
- 前記利得媒質はフッ化物結晶または酸化物結晶、およびガーネットからなる群から選択される、請求項10に記載の使用方法。
- 前記利得媒質はイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、ガドリニウムガリウムガーネット(GGG)、ガドリニウムスカンジウムガリウムガーネット(GSGG)、およびイットリウムスカンジウムガリウムガーネット(YSGG)の群から選択される、請求項10に記載の使用方法。
- 前記利得媒質はYAG、Tm:Ho:YAG、Yb:YAG、Nd:YAG、Er:YAG、Nd:YVO4、およびNd:YALOからなる群から選択される、請求項10に記載の使用方法。
- 前記共ドーパントイオンは、Cr3+イオンまたはCe3+イオンを備える、請求項10に記載の使用方法。
- 前記共ドーパントイオンは約0.01%〜約5%のドーピングレベルで前記利得媒質中に存在する、請求項18に記載の使用方法。
- 前記共ドーパントイオンは約0.5%〜約1%のドーピングレベルで前記利得媒質中に存在する、請求項18に記載の使用方法。
- 前記赤外線レーザは、前記利得媒質からの誘導放射の周波数変換のための手段を有する、請求項10に記載の使用方法。
- 周波数変換のための前記手段は、前記利得媒質からの前記誘導放射のより高い高調波を発生する、請求項21に記載の使用方法。
- 前記赤外線レーザは周波数3逓倍レーザである、請求項22に記載の使用方法。
- 前記赤外線レーザは低騒音であるように設定される、請求項10に記載の使用方法。
- 前記利得媒質内の内部赤外放射のピーク強度は約0.1GW/cm2より高い、請求項10に記載の使用方法。
- 前記赤外線レーザはQスイッチレーザである、請求項10に記載の使用方法。
- 前記Qスイッチレーザは低騒音Qスイッチレーザである、請求項26に記載の使用方法。
- 前記Qスイッチレーザは能動Qスイッチレーザである、請求項26に記載の使用方法。
- 前記赤外線レーザは、閾値励起強度の約5倍より大きい強度で動作できる、請求項10に記載の使用方法。
- レーザ増幅器において、利得媒質にイオン化放射への耐性を付与する共ドーパントイオンを含有する前記利得媒質を有し、前記利得媒質内の内部赤外放射のピーク強度は約0.01GW/cm2より高い、レーザ増幅器。
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